某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂的分析

曾云華 張 楊 孫紅兵 甄洪梅 楊 雋

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，它將活塞承受的氣動(dòng)力傳給曲軸，并使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，連桿處于高速運(yùn)動(dòng)中，主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變負(fù)荷[2]。若連桿彎曲斷裂失效，會(huì)產(chǎn)生活塞碎裂、缸體擊穿等嚴(yán)重故障。引起發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂的原因很多，既可能是零部件的質(zhì)量缺陷，也可能是外部因素的影響[3]。本文針對(duì)一款增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿斷裂失效問題，采用電鏡進(jìn)行斷口分析，運(yùn)用魚刺圖對(duì)失效進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出相應(yīng)的解決方案，經(jīng)過故障復(fù)現(xiàn)，解決連桿斷裂問題。

1 背景

某一款車在低速試車路轉(zhuǎn)彎進(jìn)入高速試車路時(shí)急加速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000～3 000 r/min，車速為100～120 km/h，發(fā)現(xiàn)異響。停車檢查，發(fā)現(xiàn)缸體擊穿、1 缸活塞碎裂，1 缸連桿斷裂，如圖1 所示。

圖1 故障連桿

2 原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)拆解分析

按照?qǐng)D2 所示的魚刺圖思路進(jìn)行排查。

圖2 魚刺圖

1）整車現(xiàn)場(chǎng)排查。原車點(diǎn)火，噴油器順序噴射，無常噴油現(xiàn)象；原車上電，2 min 后未發(fā)現(xiàn)泄露的現(xiàn)象；檢查空氣濾清器濾芯干凈無進(jìn)水現(xiàn)象，讀取ECU數(shù)據(jù)1 缸早燃計(jì)數(shù)4 次。排除由于常噴油及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水造成連桿斷裂原因。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拆解。檢查主軸瓦及連桿軸瓦無異常磨損；1 缸連桿螺栓無松動(dòng)；氣缸蓋拆解力矩?zé)o異常；檢查氣缸墊無失效；1 缸活塞卡簧有裝配痕跡，1 缸缸孔無縱向拉痕；進(jìn)氣道干凈無異物；3 缸活塞環(huán)岸斷裂，其他兩缸活塞無異常；增壓器PWM 閥的旁通閥斷裂。排除連桿螺栓轉(zhuǎn)矩不足及活塞銷卡簧漏裝配問題。

2.2 連桿分析

樣件因受力已經(jīng)發(fā)生彎曲變形，后發(fā)生斷裂。宏觀斷口如圖3 所示。上側(cè)為受拉側(cè)，下側(cè)為受壓側(cè)，斷口上半部呈深灰色，下半部呈淺灰與深灰混合，底邊有淺灰色亮帶。經(jīng)電鏡掃描對(duì)斷口觀察，斷口未見明顯褶疊等鑄造缺陷。斷口深灰色區(qū)呈韌窩斷裂形貌，斷口底邊淺灰色亮帶及淺灰色區(qū)域呈解理斷裂形貌。初步判斷為連桿受壓應(yīng)力沖擊，過載發(fā)生失穩(wěn)變形失效。連桿變形后，壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鷳?yīng)力作用于變形后的連桿，造成彎曲斷裂。

圖3 斷口宏觀形貌照

連桿材料為C70S6，發(fā)生故障的1 缸連桿金相組織為均勻的細(xì)晶粒珠光體和鐵素體組織，無片狀鐵素體，鐵素體含量為5%，非機(jī)加工面部分脫碳層為0.10 mm，滿足材質(zhì)要求。發(fā)生故障的連桿硬度為290、290、286 HBW，滿足266～310 HBW 的要求。通過二維碼追溯連桿出廠測(cè)量數(shù)據(jù)，中心距、平行值、扭曲值均滿足圖紙要求。排除連桿本身材料及尺寸質(zhì)量問題。

連桿CAE 強(qiáng)度分析結(jié)果表明，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為1.27＞1.1，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4 所示。屈曲安全系數(shù)為1.71＞1.5，亦滿足設(shè)計(jì)要求。排查連桿本身無設(shè)計(jì)問題。

圖4 CAE 仿真結(jié)果

2.3 增壓器分析及早燃排查

發(fā)動(dòng)機(jī)拆解時(shí)，發(fā)現(xiàn)增壓器旁通閥因外力磕碰造成斷裂，如圖5 所示。增壓器旁通閥斷裂，導(dǎo)致增壓器PWM 閥產(chǎn)生故障，使增壓壓力過高，產(chǎn)生早燃。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)早燃時(shí)，ECU 進(jìn)行早燃計(jì)數(shù)，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃保護(hù)策略，進(jìn)行加濃噴油，遏制連續(xù)早燃。排查早燃保護(hù)策略的設(shè)定值，發(fā)現(xiàn)增壓壓力啟動(dòng)閥值為2 560 hPa，進(jìn)氣溫度壓力傳感器物流量程為2 500 hPa。由于進(jìn)氣溫度壓力傳感器量程小于早燃保護(hù)策略的啟動(dòng)設(shè)定值，造成早燃保護(hù)策略失效。

綜上所述，增壓器旁通閥斷裂為誘因，早燃保護(hù)策略控制閥值設(shè)置不合格為主因。增壓器旁通閥斷裂，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)超增壓，造成早燃；發(fā)動(dòng)機(jī)早燃保護(hù)策略失效，增壓壓力過高，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生連續(xù)早燃，超級(jí)爆震產(chǎn)生較大的爆發(fā)壓力，壓應(yīng)力超過連桿的設(shè)計(jì)極限，連桿彎曲失穩(wěn)，最后產(chǎn)生連桿斷裂故障。

3 措施設(shè)定及驗(yàn)證

將早燃保護(hù)策略的啟動(dòng)壓力閥值由2 560 hPa更改為2 490 hPa，小于進(jìn)氣溫度壓力傳感器的物流量程2 500 hPa。為了驗(yàn)證措施的可靠性，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證。故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)工況：M1～M6 擋，固定不同擋位全油門加速為一個(gè)循環(huán)（約2 km）。增壓器PWM閥的旁通閥人為破壞斷裂，分別進(jìn)行控制閥值2 560 hPa 和2 490 hPa 驗(yàn)證。

當(dāng)控制閥值設(shè)置為2 490 hPa 時(shí)，加速過程中，增壓壓力超過保護(hù)閥值（即控制閥值2 490 hPa），立即觸發(fā)增壓保護(hù)策略，節(jié)氣門開度隨即減小，增壓壓力下降。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制178 個(gè)循環(huán)，合計(jì)356 km，發(fā)動(dòng)機(jī)無異常。如圖6 所示。

圖6 控制閥值為2 490 hPa

控制閥值為2 560 hPa 時(shí)，加速過程中，增壓壓力達(dá)到傳感器最大量程2 500 hPa，但小于保護(hù)閥值（即控制閥值2 560 hPa），未觸發(fā)保護(hù)策略。高增壓壓力一直持續(xù)到油門踏板松開。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行8 個(gè)循環(huán)，合計(jì)16 km，發(fā)生連桿斷裂缸體擊穿。如圖7 所示。

圖7 控制閥值為2 560 hP

綜上所述，早燃保護(hù)策略壓力控制閥值設(shè)置為2 490 hPa 時(shí)，有效遏制了早燃引起的連桿斷裂，后續(xù)試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)連桿斷裂問題。

4 結(jié)論

連桿失效問題是由于早燃引起爆發(fā)壓力過大，導(dǎo)致連桿過載斷裂。本文對(duì)引發(fā)早燃的增壓器及ECU 控制數(shù)據(jù)進(jìn)行了排查，并進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證確認(rèn)，識(shí)別出ECU 早燃控制策略失效為主因，增壓器PWM 閥失效為輔因的故障模式。通過改善控制閥值，有效解決了此故障造成的連桿斷裂問題。